王定樹

(玉溪新興鋼鐵有限公司,云南 玉溪 653100)

釩鈦礦冶煉屬特殊礦種冶煉,技術難度大,釩渣產量、質量不斷提高的同時,提釩工藝和半鋼冶煉之間依存度不斷提高,尤其是半鋼冶煉還要確保轉爐爐齡進一步提高,以保證提釩和煉鋼能長周期穩(wěn)定順行生產。

2008年 2月以來,昆鋼集團玉鋼開展了轉爐提釩煉鋼冶煉。針對半鋼冶煉特點、冶煉工藝、爐襯維護、基礎管理等影響轉爐爐襯壽命的因素,玉鋼開展了大量基礎研究和工藝優(yōu)化工作,通過鐵水預處理的應用、半鋼鋼水質量的提高、半鋼冶煉工藝的優(yōu)化、推行科學合理的爐襯維護制度以及降低出鋼溫度等措施,克服了鐵水供給不足、原料條件較差等諸多不利因素,半鋼轉爐爐齡不斷提高,和正常鐵水吹煉爐齡基本一致,確保了煉鋼生產的穩(wěn)定順行。

1 半鋼煉鋼工藝特性及爐襯浸蝕機理

1.1 半鋼煉鋼工藝特性

與鐵水相比,低碳提釩半鋼中的硅、錳等成渣元素少,影響煉鋼初期渣的形成,造成過程渣成分及煉鋼后期爐渣熔點、粘度等難以達到成分控制、爐襯維護、消耗降低的需要。因此,半鋼煉鋼過程中,需要外加含硅、錳等成渣元素的造渣物料,促進低熔點爐渣的形成[1]。

根據半鋼成分、溫度及煉鋼生產實踐,低碳半鋼煉鋼工藝具有以下特點:

1)碳氧化迅速。由于半鋼中的 [Si]、 [Mn]元素含量接近殘跡或很低,因此,開吹過程碳即大量氧化,碳氧化速度很快達到最大值,渣中 (∑FeO)的生成受到抑制,渣中 (∑FeO)含量一直較低,只有在冶煉末期,渣中 (∑FeO)含量才有較大幅度的提高。冶煉前期,為有效快速脫 [P]控制渣中適量的 (∑FeO)含量難度較大。

2)化渣慢。半鋼煉鋼時渣中的 SiO2、MnO等造渣組元主要來自外加造渣材料,這些造渣材料需要吸熱和時間,而初渣中的 (SiO2)、 (MnO)、(∑FeO)含量較低,因而造成石灰熔化速度和成渣速度較慢[2,3]。

3)轉爐需要大渣量操作。由于玉鋼鐵水磷、硫含量較高,部份高硫鐵水在扒渣的同時,必須進行鐵水脫硫操作,半鋼硫、磷含量較高,轉爐需要大渣量操作,鋼中硫、磷含量才能達到鋼種要求。

4)熔池溫度必須補償。玉鋼提釩半鋼平均[C]含量 (質量分數)為 3.98%,半鋼平均入爐溫度為1352℃。半鋼中 [Si]、[Mn]含量低,發(fā)熱元素缺乏,冶煉過程加入的造渣材料需吸熱,這樣,要使出鋼溫度達到正常鋼種要求的1640～1680℃,需要采用熱補償技術來補償鋼水冶煉過程的溫度。

1.2 半鋼冶煉爐襯浸蝕機理

鎂碳磚在使用過程中,工作表面的碳受到氧化性熔渣中 FeO等氧化物及供入的 O2、爐氣中 CO2等氧化性氣氛的氧化作用,以及高溫條件下MgO的還原作用使得鎂碳磚表面形成脫碳層。其反應如下[4]:

由于上述氧化反應的進行,磚體的工作表面由于碳的氧化脫除,磚體組織結構松動脆化,在爐液的沖刷下流失而被蝕損;同時,由于碳脫除所形成的孔隙和鎂碳顆粒的松動,熔渣從孔隙和縫隙中滲入,基于上述情況的共同作用使磚體熔損。鎂碳磚就是通過氧化—脫碳—沖蝕,最終鎂砂顆粒在熔渣中飄移和流失,磚體周而復始被蠶食損壞。

2 工藝研究及改進

2.1 工藝流程

玉鋼采用一座 50 t提釩轉爐對兩座 50 t半鋼冶煉轉爐,主要生產鋼種為 HRB335(E)、HRB400(E)、 HRB500(E)、 Q235J、 Q235B、 Q345B、Q195L、KNS、08AL、K510L等鋼種,生產工藝流程如下:

含釩鐵水→70 t噴吹法鐵水預處理→50 tLD轉爐提釩→半鋼→50 tLD轉爐冶煉→鋼水→連鑄

2.2 工藝研究及優(yōu)化改進

根據半鋼冶煉特點及爐襯浸蝕機理分析,玉鋼從半鋼冶煉工藝制度入手,做好爐渣控制、終點控制、過程控制、溫度控制等影響冶煉過程爐襯浸蝕程度和濺渣護爐效果的關鍵工藝。

針對半鋼冶煉過程化渣困難,爐渣泡沫化不好,前期返干氧氣氣流沖刷爐襯和中后期噴濺和拉后吹損傷爐襯及影響濺渣和留渣效果的問題,在采用傳統(tǒng)造渣材料石灰、輕燒、菱鎂球的同時,選用增熱劑、化渣劑促進冶煉過程化渣和升溫,對供氧制度、造渣制度、溫度制度、終點控制進行工藝優(yōu)化和改進,在促進冶煉順行的同時,不斷提高半鋼冶煉的轉爐爐齡。

2.2.1 工藝優(yōu)化的半鋼質量及主要造渣材料成分

玉鋼低碳提釩半鋼成分和溫度見表1,造渣材料以及升溫劑的成份見表2。

2.2.2 供氧制度的改進

氧槍槍位控制是影響半鋼吹煉過程化渣、脫C、升溫的重要因素,對半鋼冶煉而言,以往不合理的過程槍位化渣會帶來以下不良后果:

1)為了化渣脫 P,操作工往往習慣長時間高槍位操作,一旦前期的爐渣化開,即產生噴濺,強烈沖刷爐襯尤其是上椎和爐帽部位。

2)由于半鋼本身就熱量不足,若再發(fā)生噴濺帶走熱量的情況,更容易導致一倒和終點溫度偏低,低槍位拉溫時間過長,造成終點過氧化鋼渣對爐襯的強烈化學浸蝕和氧流劇烈攪拌對熔池爐襯的高溫沖刷。

表2 造渣材料及提溫劑成分Tab.2 Slag forming material and temperature rise agent composition %

針對以上情況,結合造渣制度的改進,采取以下措施對供氧制度進行優(yōu)化:

1)制定轉爐爐底深度測量和半鋼煉鋼氧槍零位測量的相關制度及管理制度,合理補爐計劃及槍位控制。

2)逐步降低并摸索合理的槍位控制。

3)控制工作氧壓,嚴禁高氧壓操作,供氧壓力不得大于 0.85 MPa。2.2.3 造渣制度改進

針對前期化渣困難返干嚴重、中后期噴濺頻繁和過程渣、終渣成分不合理損傷爐襯的問題,分別對渣料配比及渣料加入順序和加入時間進行優(yōu)化。

1)渣料配比的優(yōu)化

由于以往石灰、輕燒用量極大而且爐長習慣用礦石增加爐渣中的 (FeO),從而導致石灰、輕燒吸收大量熱量,吹煉前期化渣溫度較低,化渣更為困難,影響初期渣的迅速形成,容易形成返干,補加礦石后進一步分解吸熱,一方面造成爐溫的急劇降低,另一方面控制不好極易產生大噴,導致終點拉后吹和終渣 (FeO)過高,為此,對造渣制度進行了優(yōu)化。減少石灰、輕燒、礦石的使用量,適當增加菱鎂球的用量,在適當增加過程渣和終渣(MgO)的同時,降低爐渣堿度,力爭全過程合理化渣。采用攀鋼含 Si、SiO2、Fe2O3能迅速成渣組元的化渣劑解決前期、中期化渣困難的問題。

2)渣料加入順序和時間的優(yōu)化

為促進半鋼冶煉的初期渣能盡快形成,保證全過程化渣的平穩(wěn)升溫,改變以往頭批渣料加入過多,過程渣料加入不合理的現狀,按以下原則加入渣料:

(1)開吹即加入石灰總量的 1/3、300 kg菱鎂球及 300 kg化渣劑,開吹 2 min后加入增熱劑。

(2)開吹后 6 min之前的過程加入石灰總量的1/3,根據化渣情況及爐溫情況加入全部輕燒并補加少量化渣劑和增熱劑,若爐溫明顯偏高,加入少量礦石參與化渣和控制爐溫。

(3)在終點倒爐 3 min之前根據爐溫和化渣情況加入剩余全部造渣材料。2.2.4 溫度制度優(yōu)化

結合玉鋼生產實際情況,根據過程溫降制定各鋼種合理的出鋼溫度,在努力降低過程溫降的同時,避免高溫鋼和拉后吹現象,為此采取以下措施降低出鋼溫度,減輕高溫、高氧化性鋼水對爐襯的浸蝕:

1)對出半鋼用鐵包即時清理,并改進鋼包烘烤及管理制度,提高周轉率,對半鋼采用含 C、SiC、SiO2的大包覆蓋劑對半鋼進行保溫并提供半鋼冶煉時的少量發(fā)熱元素和化渣組元。

2)加強合金烘烤爐的使用管理,根據合金消耗及時補加烘烤爐合金,保證合金烘烤效果。

3)為保證各鋼種出鋼溫度和降低爐渣堿度及渣料消耗、減少拉后吹現象的發(fā)生,先后實驗用焦丁、半鋼增熱劑增加冶煉過程的熱量,由于焦丁為煉鐵和燒結用篩下碎焦末,加入后隨爐氣帶走較多,且對化渣效果不明顯,為此,選用攀鋼用半鋼發(fā)熱劑,在增加熱量的同時,可充分利用所含 SiC氧化放熱后形成的 SiO2促進化渣,取得良好的使用效果。

半鋼增熱劑的加入量根據入爐半鋼條件、鋼種出鋼溫度,以及鋼種成分來決定。通過不斷摸索,在每爐鋼加入 700 kg焦丁的情況下,確定出玉鋼半鋼增熱劑與入爐半鋼 [C]、溫度、終點鋼水[C]及溫度的關系式如下:

T入─半鋼入爐溫度 (℃);

[%C]入─半鋼入爐碳含量 (%);

[%C]終─終點鋼水碳含量 (%);

W─半鋼增熱劑加入量 /kg.爐-1。

根據以上經驗公式,玉鋼半鋼入爐條件、終點成分控制情況正常時的半鋼增熱劑加入量為 550 kg/爐。

4)根據鋼種、澆注斷面、拉速、鋼包及合金烘烤情況、各過程溫降情況制定各鋼種合理的出鋼溫度。

2.2.5 半鋼終點控制優(yōu)化

材料的豐富能激發(fā)幼兒參與活動的興趣，適宜的戶外體育活動材料是提高晨間鍛煉有效進行的刺激物，是開展晨間戶外鍛煉的物質基礎。那么怎樣為孩子提供感興趣的晨間戶外體育鍛煉活動材料呢？

在滿足半鋼冶煉各鋼種要求的終點成分 (P、S)和溫度的同時,為減輕爐襯浸蝕、提高濺渣護爐效果,以供氧、造渣、溫度制度為基礎,控制合理的爐渣成分、過程和終點溫度、縮短冶煉周期。提出以下終點控制要求:

1)及時對入爐半鋼成分和溫度進行檢測,規(guī)范半鋼冶煉操作,每爐及時掌握入爐半鋼的成分和溫度,據此確定造渣劑、化渣劑和增熱劑加入時間和數量,采取合理的冶煉工藝制度。

2)冶煉過程平穩(wěn)升溫,嚴格控制和考核一倒成分和溫度,提高一倒成分溫度命中率,避免一倒溫度過低和過高,以一倒成分和溫度的良好控制確保達到理想的終點控制。

3)加強對終渣的控制和分析研究,在提高終點 [C]、降低終渣 (FeO)的同時,分析當前為達到終點出鋼溫度、成分要求下的終渣 (FeO)情況,確定合理的爐渣 (MgO)含量水平并加以控制。

2.2.6 其它工藝優(yōu)化工作

1)根據鐵水供給量確定合理的連澆爐數,避免停爐時間過長造成轉爐爐溫急劇變化對爐襯的嚴重損傷。

2)在終點控制較好和終渣粘度和流動性合適的情況下,采用濺渣后留渣操作,提高下一爐開吹初渣中的 (MgO)含量和增加熱量、促進初渣早化,減輕開吹初期的爐襯浸蝕。

3)制定合理的爐襯維護制度,在做好濺渣護爐工作的基礎上,合理安排磚補、貼補和噴補,做好補爐前的準備工作,對磚補和貼補,做到“高溫、快速、薄補”的補爐要求,合理控制燒結時間,對出鋼面、倒渣面大面積浸蝕采用磚補,對爐帽、熔池除磚貼大補外,根據情況不定期進行貼補,對耳軸部位,充分利用冶煉間隙時間進行噴補。

3 改進效果及分析

3.1 供氧制度

供氧制度是半鋼冶煉造渣制度和溫度制度改進的前提和基礎,氧槍槍位和壓力不合理,升溫和化渣難以達到良好的半鋼冶煉和爐襯保護效果。2009年 2月以來,玉鋼正式對氧槍供氧槍位、供氧壓力進行了改進,2008年 5月至 12月和 2009年 2月至11月改進前后的效果對比見表3。

表3 玉鋼半鋼冶煉供氧制度改進效果對比Tab.3 Effect comparison on improvement of oxygen supply system for Tamahagane semi-steel s melting

從表3對比情況可看出,通過對 50 t轉爐半鋼冶煉供氧制度改進后,轉爐噴濺爐數和拉后吹爐數得到明顯降低,主要原因是為通過適當降低氧槍槍位,減少了高槍位化渣后產生噴濺的情況發(fā)生,同時,適當降低工作氧壓,也有效減少了噴濺和拉后吹發(fā)生的機率,減輕了噴濺和拉后吹對爐襯的損傷。

3.2 造渣制度

通過造渣制度改進,取得了以下成效:

1)通過一開吹采取加入大部分增熱劑、化渣劑、菱鎂球和 1/3石灰的造初渣操作工藝,不僅增加了化渣組元,而且增加了化渣所需熱源,保證了菱鎂球加入后的初渣中 (MgO)的含量,起到減輕初渣對爐襯浸蝕的目的。

2)通過采取減少石灰、輕燒白云石、礦石用量,增加菱鎂球、化渣劑的工藝改進,在降低爐渣堿度的同時提高爐渣中 (MgO)、減輕拉后吹,有利于減輕吹煉過程的爐襯浸蝕和提高濺渣護爐效果。

3)通過渣料加入時間和順序的優(yōu)化,更有利于過程爐渣中合適 (MgO)含量的保持,有利于初期渣早化、有利于過程熱量的平衡和過程平穩(wěn)升溫、有利于減少噴濺和提高過程化渣脫 P脫 S的效率。

2008年和 2009年造渣制度改進前后對比情況見表4所示,工藝優(yōu)化后半鋼煉鋼終渣控制情況見表5。

從表4可以看出,通過對造渣制度、供氧制度優(yōu)化改進,石灰消耗量減少 440 kg/爐,輕燒白云消耗減少 370 kg/爐,菱鎂球消耗增加 135 kg/爐,礦石消耗減少 13 kg/爐,增熱劑消耗減少 62 kg每爐 (固定 600 kg焦丁的情況下),化渣劑用量增加128 kg/爐。從表5可以看出,半鋼冶煉工藝優(yōu)化后,終渣堿度由 5.06降低至 4.03,終渣 (MgO)由 7.84%提高至 13.1%,終渣 TFe含量略有降低,TFe含量降幅不大的主要原因為玉鋼鐵水 P高,冶煉前期控制相對較高的 TFe含量有利于脫磷。

表4 玉鋼半鋼煉鋼造渣制度改進情況對比Tab.4 Slagging regime improvement situation comparison of Tamahagane semi-steel s melting

表5 玉鋼半鋼冶煉工藝優(yōu)化后終渣成分控制Tab.5 Final slag composition control after the optimization of Tamahagane semi-steel s melting process

通過造渣和供氧制度的優(yōu)化,達到了降低爐渣堿度、提高爐渣 (MgO)含量的目的,有利于濺渣護爐、降低渣料及鋼鐵料消耗。

3.3 溫度制度

通過加強合金、鋼包烘烤,執(zhí)行合理的供氧制度、造渣制度及一倒控制操作,達到了以下改進效果:

1)從 2009年 2月開始,轉爐冶煉過程溫度升溫平穩(wěn),一倒溫度、成分命中率達 89%,為轉爐脫 P、較準確控制出鋼溫度創(chuàng)造了條件。

2)在玉鋼鐵水量供給不足和半鋼熱量不足的情況下,平均出鋼溫度達1665℃,常規(guī)鋼種的出鋼溫度均控制在1680℃以下,出鋼溫度控制達到較理想的水平。2008年和 2009年生產 HRB400E時過程溫度變化情況見圖1所示。

圖1 2008年和 2009年玉鋼半鋼煉鋼過程溫度變化情況Fig.1 Temperature variation situation of Tamahagane semi-steel s melting process in 2008 and 2009

從圖1可以看出,2009年為提高轉爐脫 P率,一倒溫度較 2008年有所降低,且一倒溫度的命中率達 89%,一倒溫度的穩(wěn)定和降低,提高了冶煉前期脫 P率,為吹煉過程平穩(wěn)升溫創(chuàng)造了有利條件,同時,對較準確調整出鋼溫度奠定了基礎,出鋼溫度得到有效降低。

3.4 半鋼冶煉終點控制

工藝優(yōu)化后 (2009年 7月)轉爐終點成分及溫度見表6所示,終點 [C]分布見圖2。由表6可見,鋼水終點 [P]較低,均值為 0.016%;終點 [S]含量均值為 0.025%;出鋼溫度較低,均值為1665℃,范圍1630～1680℃,基本杜絕了高溫出鋼。由圖2可見,終點鋼水 [C]含量為0.05%,終點 C小于 0.03%的比例大幅降低,[C]在 0.02%以下的爐次僅占 5.5%,拉后吹現象得到有效控制,造成極少數爐次拉后吹的主要原因為轉爐煉鋼停爐時間過長和半鋼成分和溫度波動較大。終點 C控制水平的提高,降低了終渣 TFe含量,對改善濺渣護爐效果起到了促進作用。

表6 終點鋼水成分及溫度Tab.6 Composition and temperature of endpoint molten steel

圖2 玉鋼半鋼冶煉終點 C控制分布Fig.2 Endpoint C control distribution of Tamahagane semi-steel s melting

3.5 轉爐爐齡及作業(yè)率

通過對爐襯浸蝕機理和原因進行分析,同時結合玉鋼半鋼冶煉特點,對供氧制度、造渣制度、溫度制度、終點控制進行了優(yōu)化改進,加強了半鋼保溫、鋼包及合金烘烤,改善了濺渣操作、爐襯維護等工作,轉爐爐齡、作業(yè)率及補爐時間等技術經濟指標明顯改善。2009年 3月 8#轉爐搗爐爐齡達到了8554爐的經濟爐齡水平,補爐時間由 38.7 h/月降低至 34.6 h/月,作業(yè)率由 56.2%提高到61.3%,確保了半鋼冶煉的穩(wěn)定均衡生產。

4 結 語

針對玉鋼半鋼冶煉的生產實際,通過對爐襯浸蝕機理研究,開展了半鋼冶煉工藝優(yōu)化改進。通過供氧制度優(yōu)化,冶煉過程噴濺率由 33%降至14.8%;通過優(yōu)化造渣制度,終渣堿度由 5.06降低至 4.03,終渣 (MgO)含量由 7.8%提高至13.1%;通過優(yōu)化溫度制度及終點控制,平均出鋼溫度降至1665℃,終點 C小于 0.03%的比例大幅降低。通過對工藝優(yōu)化改進,改善了煉鋼技術經濟指標,補爐頻次顯著降低,轉爐爐齡達8554爐,轉爐作業(yè)率由 56.2%提高到 61.3%,確保了半鋼冶煉的穩(wěn)定順行。

[1]陳建平.低碳提釩半鋼轉爐煉鋼工藝生產實踐 [J].四川冶金,2008,30(2):9～13.

[2]王雅貞,張 巖,張紅文.氧氣頂吹轉爐煉鋼工藝與設備(第二版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

[3]袁宏偉,許立志.攀鋼半鋼煉鋼造渣制度的發(fā)展 [J].攀鋼技術,2001,25(5):22～28.

[4]楊素波.攀鋼半鋼煉鋼技術進步及效果 [J].鋼鐵,2003,38(1):13～15.